CN104777833B - 基于arm和dsp处理器的无人船船载控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，包括：DSP处理器、ARM处理器、自主导航子系统、测深子系统、姿态控制子系统、电池电压检测子系统、毫米波雷达防撞子系统以及数据存储子系统，其中，自主导航子系统用于预先给无人船输入航线；测深子系统用于通过回声测高仪，将采集到的水下测深数据传送至ARM处理器；姿态控制子系统用于获得姿态角度信号；电池电压检测子系统，用于检测无人船的电池电压信号，判断无人船续航能力；毫米波雷达防撞子系统用于通过线性频率调制连续波雷达测量无人船与前方目标物之间距离与相对速度，并通过DSP处理器对采集的实时信息进行分析与判断当前无人船航行安全状态。
Description
技术领域
本发明涉及船只控制技术领域，尤其涉及一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统。
背景技术
无人船是一种新型的水上监测平台，其以河川、湖泊、水库、海岸及港湾等水域为对象，以小型船舶为载体，集成定位导航、通讯与控制设备，可搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式完成特定水文和水环境要素监测。由于无人船具有布设灵活、成本经济、自动测量等特点，在水文要素观测、水环境监测、水库及河道泥沙淤积量评估、水利工程选址和水下考古等方面具有广阔的应用前景。
早期的船载控制系统主要搭建在普通的工业单片机上。近年来，为了增强控制系统的可扩展性和嵌入式软件的可移植性，出现了综合ARM处理器和工业计算机的控制系统，如《一种无舵自动走航的无人船》申请公布号为CN103303452A的发明专利中，ARM处理器被用来处理动力、电源和姿态信息，而工控机用来处理定位和测深单元信息，通讯信息由ARM处理器和工控机共同处理。未来随着无人船应用领域的逐渐扩展，在满足高精度定位与导航，精确灵活的船只控制、准确的姿态控制等功能要求的同时，也对无人船船只体积、控制系统功耗和专用性等方面提出更高的要求。不同传感器的集成特性要求越来越高，单位时间数据获取量的增加会给远程数据传输带来很大压力。此外，无人船相关控制算法的改进和先进控制算法的提出，都需要无人船船载控制系统具备较高的数据处理和分析能力。当前的控制系统在低功耗、系统集成度以及数据处理能力这些方面功能还较弱，这就要求设计开发出兼容性和可扩展性更好、系统集成度更高、数据处理能力更强的船载控制系统。
由于无人船控制系统涉及子系统或设备较多，已有的控制系统兼容性和扩展性较差、系统集成度低，尤其是导航定位系统和其他传感器数据获取系统，采用工控机大大增加了系统的复杂程度，而且工控机体积比较大、功耗大、移动性差，一般无法实现远程维护和升级。另外现有控制系统运算速度低，导致无人船控制算法实现效果不好或无法应用复杂控制算法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，利用嵌入式Linux操作系统的优势，提高控制系统的兼容性和可扩展性、以及远程维护和升级能力，利用嵌入式系统能耗低的特点，提高无人船的续航能力，利用DSP处理器强大的数字信号处理能力，提高对于控制算法的处理能力，实现复杂的控制算法。
为实现这一目的，本发明提出了一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，包括：DSP处理器、ARM处理器、自主导航子系统、测深子系统、姿态控制子系统、电池电压检测子系统、毫米波雷达防撞子系统以及数据存储子系统，
其中，所述自主导航子系统，用于预先给无人船输入航线，所述自主导航子系统包括：GPS模块与无线电台；
所述测深子系统，用于通过回声测高仪，将采集到的水下测深数据传送至所述ARM处理器，所述ARM处理器通过所述无线电台将采集到的所述水下测深数据传送至地面监控系统；
所述姿态控制子系统，将采集到的陀螺仪与加速度计传感器数据经卡尔曼滤波对传感器进行补偿以及信息融合后，获得姿态角度信号，其中，所述角度信号通过PID控制器运算，输出PWM信号对舵机进行控制操作；
所述电池电压检测子系统，用于检测所述无人船的电池电压信号，并通过简单电压对比法对电池剩余电量进行计算，判断无人船续航能力；
所述毫米波雷达防撞子系统，通过线性频率调制连续波雷达测量所述无人船与前方目标物之间距离与相对速度，并通过所述DSP处理器对采集的实时信息进行分析，判断当前所述无人船航行安全状态，其中，所述毫米波雷达防撞子系统包括：所述DSP处理器、IVS-465双通道雷达传感器、锁相环电路以及数字模拟转换芯片DAC7724。
具体地，所述GPS模块与所述ARM处理器进行数据通信。
具体地，所述无线电台将所述无人船的当前位置、速度和状态等参数传送至所述地面监控系统。
具体地，所述ARM处理器通过所述回声测高仪采集到的水下测深数据同步记录到SD卡上。
具体地，所述回声测高仪与所述ARM处理器进行数据通信。
具体地，所述系统与所述地面监控系统之间的无线通信采用通用模块并配置高增益天线，其中，所述模块为Xtend OEM RF Module。
具体地，所述系统与所述地面监控系统分别安装一个无线通信模块，其中，所述系统Xtend无线通信模块与所述ARM处理器进行数据通信，所述地面监控系统与PC机进行通信。
具体地，所述系统还包括电机和舵机控制单元，其中，所述电机控制单元控制电机，用于作为所述无人船前进主动力，所述舵机控制单元控制所述无人船方向。
进一步地，所述系统还包括：EEPROM芯片，用于提供512Kbits内存。
本发明公开的一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，综合了ARM和DSP处理器的优势，控制系统集成度高；充分利用嵌入式Linux操作系统高开放性、高运行效率、低能耗、跨平台和性能稳定等优势，提高了控制系统的兼容性和可扩展性，以及远程维护和升级的能力；DSP处理器的使用，大大提高了系统的数字信号处理能力，从而能够实现复杂的控制算法。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中的一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统的示意图。
具体实施方式
本发明以用于水下地形探测的无人船为例，提供一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统。该无人船具有定位导航、数字探测、自主航行、自动避碰、姿态感知和远程通信等功能。下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统的示意图。
具体地，一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，包括：DSP处理器、ARM处理器、自主导航子系统、测深子系统、姿态控制子系统、电池电压检测子系统、毫米波雷达防撞子系统以及数据存储子系统，其中，无人船船载系统嵌入式开发平台拟采用基于ARM926内核的ARM芯片和TI公司的DSP芯片为处理器核心，其中ARM芯片功耗低、资源丰富，最大主频达到400MHz，采用嵌入式Linux操作系统；DSP芯片带浮点运算，适合大规模的数字信号处理，尤其适合做电机控制和姿态控制算法；其中ARM芯片和DSP芯片之间通过双口RAM芯片实现数据交互。
进一步地，自主导航子系统用于预先给无人船输入航线。在航行过程中GPS模块给出无人船当前的位置和速度，再由自主导航子系统计算出无人船和理论航线的偏差，结合航速计算控制，使无人船按预定航线航行，无人船上的无线电台可以把无人船的当前位置、速度、和状态等参数传递到地面监控系统。这些参数经过地面监控系统处理，可以通过多种形式显示无人船当前的状态、轨迹等一些重要信息，借助地面监控系统，地面站还可以通过无线电遥控手段对无人船进行辅助导航。
更进一步地，自主导航子系统选用北斗/GPS双系统导航/授时模块，且自主导航子系统包括：GPS模块与无线电台，其中，GPS模块通过LVTTL电平的UART数据通信接口与ARM处理器进行数据通信，兼容GPS(L1)、北斗(B1)两种定位系统，其中，数据更新率为1Hz，定位精度3m，速度精度0.1m/s。
测深子系统通过回声测高仪，将采集到的水下测深数据传送至ARM处理器，ARM处理器通过无线电台将采集到的水下测深数据传送至地面监控系统，ARM处理器通过回声测高仪采集到的水下测深数据还可以按照FAT32格式同步记录到SD卡上，数据文件可在Windows下用读卡器进行读取，方便数据的分析与处理，其中，ARM处理器通过标准SPI接口与SD卡互连，实现文件管理。基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统最大支持32G容量SD卡，且回声测高仪通过RS232与所述ARM处理器进行数据通信，其中，回声测高仪频率为200kHz、最大测深为100米。
更进一步地，系统与地面监控系统之间的无线通信采用通用模块并配置高增益天线，以实现实时远距离通讯，即大于50km的远距离通讯，采用的传输方式为点对点的传输方式，其中，模块为Xtend OEM RF Module，且系统与地面监控系统分别安装一个无线通信模块，其中，系统Xtend无线通信模块通过RS232与ARM处理器进行数据通信，地面监控系统与带有RS232接口的PC机进行通信。
姿态控制子系统通过I2C和SPI串口与DSP处理器通信，将采集到的三轴数字陀螺仪与三轴数字加速度计传感器数据经卡尔曼滤波对传感器进行补偿以及信息融合后，获得姿态角度信号，其中，角度信号通过PID控制器运算，输出PWM信号对舵机进行控制操作。
电池电压检测子系统由DSP处理器对电池电压进行A/D采样，用于检测无人船的电池电压信号，并通过简单电压对比法对电池剩余电量进行计算，判断无人船续航能力。
毫米波雷达防撞子系统通过线性频率调制连续波雷达测量无人船与前方目标物之间距离与相对速度，通过DSP处理器对采集的实时信息进行分析，判断当前无人船航行安全状态，并采取相应的报警方式和规避措施，其中，毫米波雷达防撞子系统包括：DSP处理器、IVS-465双通道雷达传感器、锁相环电路以及数字模拟转换芯片DAC7724。
更进一步地，系统还包括电机和舵机控制单元，其中，电机控制单元控制电机，作为无人船前进主动力，舵机控制单元控制无人船方向，且还包括：EEPROM芯片，用于提供512K bits内存，具体地，无人船船载系统带掉电不丢失数据的EEPROM芯片，提供512K bits内存，ARM芯片通过I2C写入读取导航系统、姿态控制等固定参数。
更进一步地，基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统还包括电源，其中电源包含5V、3.3V、1.8V、1.2V等电源为ARM、DSP、GPS模块、无线电台模块等各模块供电。
本发明所公开的一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，包括：DSP处理器、ARM处理器、自主导航子系统、测深子系统、姿态控制子系统、电池电压检测子系统、毫米波雷达防撞子系统以及数据存储子系统，其中，自主导航子系统用于预先给无人船输入航线；测深子系统用于通过回声测高仪，将采集到的水下测深数据传送至ARM处理器；姿态控制子系统用于获得姿态角度信号；电池电压检测子系统，用于检测无人船的电池电压信号，判断无人船续航能力；毫米波雷达防撞子系统通过线性频率调制连续波雷达测量无人船与前方目标物之间距离与相对速度，并通过DSP处理器对采集的实时信息进行分析，判断当前无人船航行安全状态。本发明利用嵌入式Linux操作系统的优势，大大提高控制系统的兼容性和可扩展性、以及远程维护和升级能力利用嵌入式系统能耗低的特点，提高无人船续航能力，利用DSP处理器强大的数字信号处理能力，提高对于控制算法的处理能力，能够实现复杂的控制算法。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于ARM和DSP处理器的无人船船载控制系统，其特征在于，包括：DSP处理器、ARM处理器、自主导航子系统、测深子系统、姿态控制子系统、电池电压检测子系统、毫米波雷达防撞子系统以及数据存储子系统，
其中，ARM芯片和DSP芯片之间通过双口RAM芯片实现数据交互；
所述自主导航子系统，用于预先给无人船输入航线，所述自主导航子系统包括：GPS模块与无线电台；
所述测深子系统，用于通过回声测高仪，将采集到的水下测深数据传送至所述ARM处理器，所述ARM处理器通过所述无线电台将采集到的所述水下测深数据传送至地面监控系统；
所述姿态控制子系统，将采集到的陀螺仪与加速度计传感器数据经卡尔曼滤波对传感器进行补偿以及信息融合后，获得姿态角度信号，其中，所述角度信号通过PID控制器运算，输出PWM信号对舵机进行控制操作；
所述电池电压检测子系统，用于检测所述无人船的电池电压信号，并通过简单电压对比法对电池剩余电量进行计算，判断无人船续航能力；
所述毫米波雷达防撞子系统，通过线性频率调制连续波雷达测量所述无人船与前方目标物之间距离与相对速度，并通过所述DSP处理器对采集的实时信息进行分析，判断当前所述无人船航行安全状态，其中，所述毫米波雷达防撞子系统包括：IVS-465双通道雷达传感器、锁相环电路以及数字模拟转换芯片DAC7724。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GPS模块与所述ARM处理器进行数据通信。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线电台将所述无人船的当前位置、速度和状态参数传送至所述地面监控系统。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ARM处理器通过所述回声测高仪采集到的水下测深数据同步记录到SD卡上。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回声测高仪与所述ARM处理器进行数据通信。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统与所述地面监控系统之间的无线通信采用通用模块并配置高增益天线，其中，所述通用模块为Xtend OEM RF Module。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统与所述地面监控系统分别安装一个无线通信模块，其中，所述系统Xtend无线通信模块与所述ARM处理器进行数据通信，所述地面监控系统与PC机进行通信。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电机控制单元和舵机控制单元，其中，所述电机控制单元控制电机，用于作为所述无人船前进主动力，所述舵机控制单元控制所述无人船方向。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：EEPROM芯片，用于提供512Kbits内存。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180727 |